咪唑離子液體如何將CO2高效電還原為CO？

2024-10-11 10:42:22 sh默尼 34

隨著工業化的不斷發展，空氣中CO₂的濃度不斷增加，在各種處理CO₂濃度的方法中，電化學還原被認為是回收CO₂的有效方法。離子液體(ILs)具有低揮發性、不易燃和電化學窗口高等特性，這使其成為電化學還原CO₂過程中有前途的電解質。但是純離子液體粘度高，這會對電化學傳質過程產生影響。乙腈(AcN)的粘度低、電化學窗口寬且CO₂溶解度高，已成為CO₂電化學還原反應(CO₂RR)中常用的溶劑。如果將離子液體與AcN溶液混合形成混合電解質，有望能夠增強系統的傳質能力。

在離子液體中，咪唑基離子液體(Imim-ILs)因其優異的電化學性能而備受關注。前人的研究表明，電極表面的陽離子物質與反應中間體相互作用改變了電化學雙層(EDL)的特性，因此在CO₂RR中起重要作用。1-乙基-3-甲基咪唑鎓離子([Emim]⁺)能吸附在銀電極表面，形成吸附層。該吸附層可與CO₂相互作用形成復合中間體，這些中間體的形成降低了?CO₂^-的能態，從而顯著降低CO₂還原為CO的過電位。通過前人的研究發現，不同的Imim-ILs在CO₂RR中表現出不同的活性位點。密度泛函理論計算(DFT)證明，CO₂與咪唑環上C2、C4和C5都能形成氫鍵，但CO₂傾向于定位在咪唑環C4/C5-H附近，因為在C4-H和C5-H位置形成的[EMIM-CO₂]更穩定。

基于此，來自華中科技大學的胡輝和黃浩團隊使用兩種典型的Imim-ILs，即[Bmmim]⁺和[Bmim]⁺作為研究對象，研究了咪唑鎓陽離子的結構差異對體系還原性能的影響。此外，還分析了咪唑鎓陽離子與?CO₂^-生成中間體的結合模式，提出了[Bmmim]⁺和[Bmim]⁺在Imim-ILs/AcN溶液中促進CO₂電化學還原為CO的機理。發現Imim-ILs在CO₂RR中表現出優異的選擇性。量子化學計算表明，咪唑環通過中等強度的氫鍵與?CO₂^-形成中間體，有利于在電極界面處與?CO₂^-結合接受電子，進一步還原CO。